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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)改造

時間:2013-01-18 11:04:36來源:王永付

導(dǎo)語:?隨著石油、煤炭、天然氣等礦物能源的日益枯竭,以及使用礦物能源帶來的環(huán)境污染問題嚴(yán)重,發(fā)達(dá)國家開始征收能源稅和碳稅,環(huán)保對常規(guī)發(fā)電提出新的、嚴(yán)格的要求,在這種情況下,人們將目光投向了新能源。 隨著綠色能源的大力發(fā)展,風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,儲量豐富,越來越受到世界各國的重視,一些國家對風(fēng)力發(fā)電給予政策扶持,以減稅、抵稅和價格補(bǔ)貼等經(jīng)濟(jì)手段給予激勵,推進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。風(fēng)電領(lǐng)域中,使用PLC(可編程控制器)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制,由于國外整機(jī)廠家控制系統(tǒng)核心技術(shù)對外保密,提供維護(hù)服務(wù)費(fèi)用較高,所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化勢在必行。 本文主要介紹使用和利時公司LK系列PLC進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的改造工作,結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目介紹改造過程中PLC的選型、配置,通訊的設(shè)置等。使用LK PLC改造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)場工作正常,發(fā)電量與附近風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相當(dāng),功率曲線與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計要求基本吻合,滿足用戶需求。

1      引言

當(dāng)今使用最多的燃料是煤、石油、天然氣等,被稱為化石燃料,這些燃料在地球上的蘊(yùn)藏量是有限的,最終會枯竭,故節(jié)約能源與開發(fā)新能源是當(dāng)今各國研究的課題。相對于傳統(tǒng)能源,新能源具有污染少、儲量大的特點(diǎn),對于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和資源(特別是化石能源)枯竭問題具有重要意義。其中風(fēng)能是儲量巨大的新能源,風(fēng)電的發(fā)展一直是新能源發(fā)展的重點(diǎn)。

我國風(fēng)電技術(shù)從引進(jìn)就直接過渡到大規(guī)模生產(chǎn),在大規(guī)模風(fēng)電場建設(shè)中,現(xiàn)有國外風(fēng)電技術(shù)與我國國情的不適應(yīng)越來越突出。面對高成本、售后技術(shù)支持跟不上、產(chǎn)品故障率高、維護(hù)難等問題,使我國風(fēng)電事業(yè)發(fā)展遇到瓶頸。

因此,大力發(fā)展自有技術(shù),開發(fā)質(zhì)優(yōu)價廉的風(fēng)電機(jī)及控制產(chǎn)品,讓大型風(fēng)電設(shè)備得到推廣普及,將成為我國廣大工程技術(shù)人員和研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的共同努力的目標(biāo)。只有這樣才能讓我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展,才能使風(fēng)電成為重要的新能源,才能保證風(fēng)能技術(shù)的開發(fā)領(lǐng)跑世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)。

2      需要改造的風(fēng)機(jī)介紹

該風(fēng)機(jī)為變速恒頻風(fēng)電機(jī)組,三葉片、迎風(fēng)、水平軸向的風(fēng)機(jī),葉輪的直徑為 70.5 米。風(fēng)機(jī)的葉輪和機(jī)艙安裝在圓錐筒狀的塔架頂部,輪轂中心距地面的高度為 64.78 米。風(fēng)機(jī)采用主動偏航控制(使風(fēng)機(jī)按照風(fēng)向調(diào)整轉(zhuǎn)向),主動變槳矩控制(用來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速)和發(fā)電機(jī)/功率電子變換系統(tǒng)(用來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn) 50Hz 690V 的電能)。[1]

控制系統(tǒng)采用某品牌 PLC,配置如圖2-1所示,包括塔底柜和機(jī)艙柜。

由于該型號風(fēng)機(jī)使用過程中故障率高,并且存在元器件損壞后,需要購買國外整機(jī)廠商的配件,或請原廠家人員進(jìn)行維修,配件價格與維護(hù)費(fèi)用高昂,原因在于用戶無控制系統(tǒng)核心程序,不知道配件配置,只能用指定的配件,自己無法選擇與維護(hù),故風(fēng)場用戶需要改造該型號風(fēng)機(jī),使其具有自主程序,便于工藝研究與維護(hù)。

3      和利時控制系統(tǒng)LK PLC配置

和利時主控系統(tǒng)采用風(fēng)電專用控制器作為主控制器。由CPU模塊、I/O模塊、CANopen主站模塊、電量采集模塊、通信模塊、計數(shù)模塊、電源模塊、背板和HMI等組成,以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制要求[2]

主控制柜,安裝于風(fēng)電機(jī)組塔筒底部,與機(jī)艙柜通過現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊;與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和人機(jī)界面通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊,對風(fēng)電機(jī)組整體運(yùn)行進(jìn)行控制和監(jiān)視;并發(fā)送指令到偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)以及變流控制系統(tǒng)。如圖3-1所示。

機(jī)艙站,采用遠(yuǎn)程I/O方式,設(shè)置成控制分站。用于采集電網(wǎng)電量信息,記錄風(fēng)向、風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及溫度等數(shù)據(jù),控制偏航、扭攬。機(jī)艙站通過光纖介質(zhì)與塔底主控站進(jìn)行通訊。

人機(jī)界面,安裝于風(fēng)電機(jī)組塔底和機(jī)艙,通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控制器通訊;用于完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制和顯示、風(fēng)電機(jī)組參數(shù)設(shè)置、故障記錄的查詢等工作。通過設(shè)置用戶訪問權(quán)限,保證風(fēng)電機(jī)組操作的安全可靠。

SCADA系統(tǒng),安裝在中控室,便于遠(yuǎn)程操作控制風(fēng)機(jī),包括完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制和顯示、風(fēng)電機(jī)組參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計、故障記錄的查詢等工作。通過設(shè)置用戶訪問權(quán)限,保證風(fēng)電機(jī)組操作的安全可靠。

 

圖3-1 和利時LK PLC配置圖

4      和利時控制系統(tǒng)軟件組成

       風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)由圖4-1所示幾部分組成:

圖4-1 和利時LK PLC控制系統(tǒng)組成

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)使用的通訊協(xié)議如下所列:

(1)與變流器通訊,采用CANopen通訊協(xié)議;

(2)與變槳系統(tǒng)通訊,采用CANopen通訊協(xié)議;

(3)塔底與機(jī)艙通訊,采用Profibus-DP通訊協(xié)議;

(4)與電能表通訊,采用MODBUS RTU通訊協(xié)議;

(5)與HMI通訊,采用MODBUS TCP通訊協(xié)議;

(6)與SCADA通訊,采用OPC通訊協(xié)議;

5      結(jié)論

    風(fēng)機(jī)使用和利時LK PLC改造后,根據(jù)現(xiàn)場維護(hù)數(shù)據(jù)分析,風(fēng)機(jī)報故障次數(shù)和其他風(fēng)機(jī)相比少,正常情況下發(fā)電量和周邊風(fēng)機(jī)相當(dāng)(考慮風(fēng)機(jī)位置不同,導(dǎo)致風(fēng)速大小不同),功率曲線如圖5-1所示,功率曲線與風(fēng)機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)吻合。

 

圖5-1 和利時LK PLC控制系統(tǒng)2012年3月與4月功率曲線

由于使用自產(chǎn)PLC及控制程序,可根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況調(diào)整程序或參數(shù),使風(fēng)機(jī)運(yùn)行達(dá)到最優(yōu),滿足用戶使用要求;同時可自由選擇風(fēng)機(jī)中使用的各種設(shè)備,如風(fēng)速風(fēng)向儀、風(fēng)扇、加熱器、測頻模塊等,這在之前從國外整機(jī)引進(jìn)中是不可能的,只能由國外廠家指定。

使用LK PLC改造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)場工作正常,發(fā)電量與附近風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相當(dāng),功率曲線與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計要求基本吻合。

現(xiàn)場風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了和利時LK PLC滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制要求。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ]               變速恒頻風(fēng)電機(jī)組技術(shù)規(guī)格說明.

[ 2 ]               和利時風(fēng)電控制產(chǎn)品選型手冊.北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司,2010

 

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